憋屈的開鎖人和幸運兒
——《DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？一幅生命本質(zhì)的探索路線圖》出版

◎文/趙時佳

《DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？一幅生命本質(zhì)的探索路線圖》

吳明 著

清華大學出版社

2019.10

看美國大片的觀眾，應該都聽說過一句調(diào)侃“富人靠科技，窮人靠變異”。這里的變異指的自然是改變?nèi)梭w的DNA，比如蜘蛛俠就是被一只受到放射性感染的蜘蛛咬傷，改變了自己的DNA，從而獲得了超能力。那么咱們口中所說的DNA究竟是什么呢？

《DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？》一書就為讀者揭開了DNA的神秘面紗。

從書名不難看出，這是一本科普文，而且是一本書名字看起來一點也不有趣的科普文，看到這里，或許有很多人已經(jīng)開始皺眉頭了。因為科普文被人們敬而遠之的原因有很多，其中很重要的一條是：作者沉浸在自己的學術(shù)世界里，他們試圖用通俗的語言去闡述問題，結(jié)果卻事與愿違，這主要因為他們的核心關(guān)注點是在技術(shù)的發(fā)展，而普通人一看到滿篇的技術(shù)名詞，立刻會引發(fā)起畏難情緒。

而這一本《DNA是如何發(fā)現(xiàn)的》卻不一樣，這本書的寫作方法，類似于當年黃仁宇寫《萬歷十五年》，兩人都是站在大行業(yè)的角度去闡述事物：黃仁宇通過經(jīng)濟、政治事件，以及思想史等角度，用大歷史觀來解讀一個特定的年份；吳明則通過人、事、材料、技術(shù)等內(nèi)容，用“大科學史”的方式來解釋一個新學科的誕生。這本書也是目前國內(nèi)第一本講述DNA發(fā)現(xiàn)過程的圖書。

這本書總共可分為11個章節(jié)。從1866年的豌豆雜交試驗開始講起，逐步進入核素的發(fā)現(xiàn)，再到確定遺傳信息的載體是DNA，最后轉(zhuǎn)到今天人們對DNA的認知。這里面涉及遺傳學、化學、微生物學、物理學等諸多學科的內(nèi)容，而地理位置上也從歐洲輾轉(zhuǎn)到北美洲，各領(lǐng)域的大師學者們先后奉獻了自己的心力。

在這一系列的發(fā)現(xiàn)和堅持的故事里，讓我印象最深刻的，是這么兩個人的故事：憋屈的開鎖人和幸運者。

憋屈的開鎖人是指孟德爾。

他出生于1822年的奧地利，從小家境貧寒，連大學也是只上一半便被迫去謀生。從理論上來說，這樣一個人是很難在學術(shù)上有什么成就的，但是命運總是喜歡和人開玩笑。為了謀生，孟德爾跑去修道院做了一名修道士，在此期間他進行了大量的農(nóng)業(yè)試驗，比如他在修道院的土地上種植了將近3萬棵植物。

在種植這些植物的過程中，他有了一個發(fā)現(xiàn)：通過嫁接培育出來的植物，其生命力往往比原來的植物更加頑強。這讓他非常好奇，于是他開始一步步地追蹤這個問題。

孟德爾和奧斯瓦德·西奧多·艾弗利

雖然他大學只上了一半，但在大學期間他也接受了系統(tǒng)的科學實驗知識，于是他開始用數(shù)學方法對自己的試驗做統(tǒng)計。最終他發(fā)現(xiàn)了顯性法則、單一性單位性狀和分離法則。他的發(fā)現(xiàn)相當于創(chuàng)立了觀察遺傳現(xiàn)象的新方法，即便是到了今天，他的遺傳學方法也依然在使用。

這樣一個劃時代的方法，也許你會覺得一定讓孟德爾功成名就了，但事實恰恰相反。孟德爾過得挺憋屈的，他的這些重大發(fā)現(xiàn)，在當時被長期忽略了，之所以產(chǎn)生這樣的原因，總結(jié)起來主要有三點。

第一，因為學術(shù)論文的發(fā)表地點非常重要。孟德爾雖然積累了大量的數(shù)據(jù)資料，但只向一個博物學會做了宣講，發(fā)表了一篇簡短的論文，使得他的論文含金量被平臺所稀釋了。

第二，因為在當時那個時代，人們并沒有認識到孟德爾的價值，甚至覺得孟德爾的觀點只是諸多奇談怪論之一罷了。包括他的老師，也認為孟德爾的觀點是沒有意義的。

第三，因為他的觀點太前衛(wèi)了，而能夠證明他觀點的證據(jù)核素，在四年后被發(fā)現(xiàn)了，但是孟德爾并沒有抓住這個機會，結(jié)果忽略了翻身逆襲的機會。

如果要站在現(xiàn)在的角度去評價孟德爾，他一手打開了遺傳學大門的鎖，但是缺乏徹底打開的機會。所以說，他是一個憋屈的開鎖人。

書中另一個先驅(qū)奧斯瓦德·西奧多·艾弗利，作為幸運者雖然和孟德爾都有著牧師的職業(yè)背景，但兩人的境遇卻截然相反。

首先說一下為什么他們都有同樣的牧師背景，因為當時牧師進入學術(shù)界的機會比較多，同時牧師可以有大量的時間去從做自己喜歡的事情。艾弗利曾經(jīng)在第一次世界大戰(zhàn)期間做過一段時間的醫(yī)療隊長，待戰(zhàn)爭結(jié)束后，開始研究乳酸菌和結(jié)核菌。研究乳酸菌是因為他認為這有很高的商業(yè)開發(fā)價值，而研究結(jié)核菌是因為他有同事就是因為結(jié)核病去世的，可以說結(jié)核病在當時屬于致命的主要疾病之一。

總之，雖然艾弗利淡泊名利，從來不做公開演講和宣傳。但在他生前，曾經(jīng)一度因為在免疫學研究方面的貢獻，成為諾貝爾獎的提名候選人；在他去世后，世界上幾乎任何一本涉及分子遺傳學、分子生物學、微生物學和生物工程學的學術(shù)著作都會對他的貢獻大加贊揚。

那么他為什么能獲得這么高的榮譽呢？

除了作為科研人員特有的堅持之外，還有三點重要原因。

第一，他的研究工作有著強硬的后臺：洛克菲勒醫(yī)學研究所。在二戰(zhàn)期間，當時全世界許多研究機構(gòu)、大學都遭到了空前的浩劫，而洛克菲勒醫(yī)學研究所卻可以同和平時期一樣，保持正常運轉(zhuǎn)?？梢哉f艾弗利是當時為數(shù)不多的幸運者之一。

第二，艾弗利為人處世十分厚道，理解同事在科研上的偏執(zhí)態(tài)度，尊重別人的選擇，這為他贏得了良好的學術(shù)聲譽。

第三，當時學術(shù)領(lǐng)域雖然有時候也會對艾弗利的觀點持有懷疑態(tài)度，但和孟德爾時期相比，已經(jīng)進步了很多，人們可以接納不同意見。

[書摘]

《DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？一幅生命本質(zhì)的探索路線圖》

生物學研究的最終目的

20世紀50年代，分子生物學研究取得了一系列突破性進展，這和信息科學的誕生在時間上如此巧合，信息科學中使用的一些術(shù)語，如程序、編碼等后來都在遺傳學中利用上了。當前人們似乎認為分子生物學已經(jīng)到了“最后開花結(jié)果”的階段了。須知，分子生物學的真正目的不在于創(chuàng)建能夠在地球上生活的一些新型生命類型，以便為人類提供高質(zhì)且數(shù)量充分的產(chǎn)品；分子生物學的真正目的是要通過基因結(jié)構(gòu)和功能的研究來揭示人類、動植物的生理過程，以及細胞分化，胚胎發(fā)育，生長、衰老直至死亡的全過程。就是說，要對生命時間階梯的機理按正確順序進行全方位追蹤。即便生命本身現(xiàn)在仍然是一個奧妙無窮、深不可知的秘密，人們一旦將其和分子聯(lián)系，進行綜合分析，那么就有可能接近其終極秘密了。

因此，人們主張先不考慮生命是否已知或未知，我們抄近道，直接來認識生物分子——看來這可能是一條正確的途徑。在進行這類研究時，可以考慮研究分析逐級爬升的生命時間階梯的結(jié)構(gòu)，這樣就能夠認識愈來愈復雜的生命過程。

生物學研究的最終目的是了解人類自身，弄清楚人類的大腦是如何工作的，把構(gòu)成自己知覺和個性特征的物質(zhì)基礎(chǔ)弄清楚。其實，人類對自己的大腦知道得太少，例如神經(jīng)解剖還十分粗略，神經(jīng)生化只有零星資料，更不用說有關(guān)信息的貯存、加工、提取等一系列活動的機理了。

過去的200萬年，人腦體積增大了3倍，其中負責計劃、決策的大腦新皮層增大明顯，大腦的信息貯存量卻很難估計。這些問題愈來愈引起人們的重視。其實早在沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型后，德爾布呂克就曾預言過：“雙螺旋及其功能不僅對遺傳學而且對胚胎學、生理學、進化論甚至哲學都有深刻影響。它對現(xiàn)代人的深遠影響莫過于幾乎人類的一切性狀都可能有部分的遺傳學基礎(chǔ)。這不僅限于各個人的體質(zhì)，而且還包括智力或行為特征。遺傳素質(zhì)對人類非體質(zhì)性性狀，特別是對智力的影響正是目前爭議最多的生物學與社會學問題。”

2013年，美國還公布了腦科研計劃，以探索人類大腦的工作機制，繪制腦活動全圖，并且最終開發(fā)岀針對大腦不治之癥的療法，此計劃啟動資金1億美元，可與人類基因組計劃媲美。此項計劃由瑞士洛桑理工學院的亨利·馬克拉姆牽頭，并由87個來自世界各地的研發(fā)團體承擔任務(wù)。目前中國學者、北京大學生命科學學院原院長饒毅現(xiàn)在的研究領(lǐng)域是“社會行為的分子和細胞機理”。美國有40多所大學、100多個課題組從事這一頗具前瞻性的研究課題，人們對未來充滿好奇。

生物學不僅要研究人的大腦是如何工作的，還要研究人的本質(zhì)以及在宇宙中的地位。當然這還要借助其他學科，這幾乎將改善人類的生存環(huán)境，而且包括人類自身的種種嘗試。這是一項非常危險的活動，但在漫長征途的苦苦跋涉中，人類無法規(guī)避這些活動。那些第一代分子生物學家都早早地轉(zhuǎn)向神經(jīng)分子生物學前沿去開拓道路了，隨后進入這一領(lǐng)域的不乏他們的學生或?qū)W生的學生。過去物理科學、化學科學和生命科學之間實現(xiàn)過富有成效的互動，在分子遺傳學和免疫學的精確知識方面取得突破，即解開分子密碼，今天這種互動在了解人的神經(jīng)系統(tǒng)方面看來有可能取得相似的突破性進展。神經(jīng)分子生物學一個最重要的技術(shù)發(fā)明是光遺傳學，就是用光來操縱分子。我們只要沿著現(xiàn)在的研究思路走下去，做更多的實實在在的研究實驗，就是下一個突破口所在。

恩格斯早就預言過：“終有一天，我們可以用實驗的方法，把思維歸結(jié)為腦子中發(fā)生的分子和化學的運動?！倍鞲袼诡A言的那一天不就是綜合了各學科、各個領(lǐng)域研究成果的總和嗎？到時候，只需在相應的表格上打幾個鉤就能實現(xiàn)，像組裝電腦那樣方便；研究開發(fā)人的大腦潛質(zhì)，因材施教，推進DNA編輯技術(shù)。

人類還可以模擬人類大腦中全部860億個神經(jīng)元，以及將這些神經(jīng)元連接起來的100萬個神經(jīng)突觸的功能，到時候，可以建成一個“即插即用”的大腦，可以把它拆分，找出腦部疾病的原因，也可以借助機器人技術(shù)開發(fā)一系列全新的人工智能技術(shù)，甚至還可以戴上一副虛擬現(xiàn)實眼鏡，以體驗“另類大腦”的神奇之處。

我們錯失了前四次科技革命的機遇，但抓住了第五次科技革命的機遇，讓我們偉大的祖國躍升為工業(yè)和經(jīng)濟增長較快的國家。但是，現(xiàn)在面臨第六次科技革命的選擇，而第六次科技革命很可能是在生命科學、物質(zhì)科學以及與它們交叉的領(lǐng)域出現(xiàn)。第六次科技革命的內(nèi)容和發(fā)展有以下五大學科：

(1)整合與創(chuàng)生生物學，可解釋生命本質(zhì)；

(2)人格信息包技術(shù)，包括人腦的電子備份與虛擬再現(xiàn)；

(3)仿生技術(shù)，即人體仿生備份和軀體仿真；

(4)創(chuàng)生技術(shù)，包括創(chuàng)造新的生命形態(tài)和生命功能；

(5)再生技術(shù)，生物體的體內(nèi)體外再生。

由此可見，上列五大學科在很大程度上都涵蓋了生命科學的內(nèi)容，正像諾貝爾獎諸多獎項中，生理學或醫(yī)學獎固屬生命科學范疇，而化學獎中獲得諾貝爾獎的從1901年以來，截至2018年，共頒發(fā)了110次，有180位獲獎?wù)?，但其中一半人次是因為生命科學、生物化學的內(nèi)容而獲得的。

生物學發(fā)展的啟示——學習歷史

老一代分子生物學家，亦即那些用生物學概念來解釋大腸桿菌及噬菌體的一代宗師，還有一個共同特點，即都是先用綜合意義上的學說形式提出自己的概念，在有了實驗數(shù)據(jù)后，他們的這些概念才會被人們接受，再經(jīng)過實驗檢驗，但從中仍可能找出有某些片面性或不完善之處，這是一切概念、學說和理論可能都會存在的問題。但是概念也好，學說也好，在歷史發(fā)展過程中，或多或少都標上了時空條件限定的烙印?，F(xiàn)在這些老一代分子生物學家皆先后作古了，以原核生物作為研究材料的黃金時段也跟隨他們一起走進歷史。他們的學生或?qū)W生的學生認識到，決定大腸桿菌及噬菌體遺傳性狀的基因數(shù)目有限，只有將真核類生物的染色體結(jié)構(gòu)和功能一步步地搞清楚了，將基因的結(jié)構(gòu)和功能搞清楚了，才能再來揭示動植物乃至人類的生理過程，以及細胞分化，胚胎發(fā)育，生長、衰老直至死亡的全過程。真核生物比原核生物更加復雜，研究難度更大。

以后的科學史學家如何敘說我們今天的生物學呢，他們在研究我們現(xiàn)時的歷史時，在有些事情經(jīng)過若干年后，他們會從中判斷出我們正在錯過的或被我們低估了的力量傾向和趨勢。愛因斯坦知道牛頓那時尚不知道的一些事兒，今天我們知道愛因斯坦那時尚不知道的一些事兒，明天的人將知道我們現(xiàn)在尚不知道的一些事兒。對于科學史學家而言，無論修史、治史，還是教史、讀史，倘若大家都抱著實用主義的態(tài)度就恐非所宜了。修史、治史、教史和讀史徒知事實，無補于全局。善修、治、教和讀史者，觀既往之得失，以謀將來之進步，于全局有利。在博大精深的科學論說史這類歷史遺產(chǎn)面前，學以致用、引以為鑒，只是研讀科學史的一個方面，而不是全部意義。一個真正的科學史研究者不僅要鑒史，還要鑒人、鑒事、鑒細節(jié)。

說到底，就是要鑒出什么樣的時空條件、什么樣的知識背景等諸多要素同時被激活、啟動，才能迸發(fā)出靈感的火花，讓思維發(fā)生質(zhì)的升華。細碎處的故事、空白處的講述，才能真正反映歷史的原貌。我們站在50年后的今天，追憶50年前的一幕幕情境時，會很自然地與書中那些科學先驅(qū)們感同身受：時而為他們與DNA分子僅有半步之距，終因一念之差失之交臂而惋惜；時而又為他們向著DNA分子步步逼近，眼看就要成功而歡呼雀躍。我們在不經(jīng)意間享受到樂趣，在無意中營養(yǎng)了身心，這未必不是一種讀閱科學史的優(yōu)雅心態(tài)。讀史還可以得到心靈的慰藉，讓心靈充實，不懼黑暗，讓人淡定、獨立。

奧地利著名物理學家馬赫(Mach，E.)通過實驗得出了氣流的速度與聲速的比值，以他的名字命名為馬赫數(shù)，以Ma表示，Ma=1126Km，就是340m/s，汽車跑不了這個速度，大多數(shù)情況是用來表示飛行器的飛行速度。用愛因斯坦自己的話說：“馬赫才真正是廣義相對論的先驅(qū)?！彼缭?872年就曾告誡他的徒子徒孫們，“要尋找啟示，只有一個辦法——學習歷史”。他的這套認識論科學哲學思想對當時的科學界一代人產(chǎn)生了巨大影響，例如普朗克、愛因斯坦早年都是馬赫思想的信仰者，約爾丹(Jordan，M.E.C.)、玻爾、海森伯格、薛定諤、泡利等也在不同程度上受到過馬赫思想的影響。時過百余年，他的這番話對當今的生物學家或許能夠產(chǎn)生更大的影響。